Статью подготовили специалисты образовательного сервиса Zaochnik.
Фотолиз воды при фотосинтезе и его химические основы
Содержание:
- 24 ноября 2023
- 7 минут
- 3183
Фотолиз воды при фотосинтезе
Что такое фотолиз воды?
Фотолиз воды — это процесс распада молекулы воды, которая происходит в световой фазе фотосинтеза.
Фотосинтез представляет собой процесс синтеза органических веществ из неорганических при помощи энергии солнечного света.
Первым, кто изучал физиологические основы фотосинтеза, был Дж. Пристли — ученый делал это в 18 веке. А именно, его заинтересовала порча воздуха внутри герметичного сосуда с горящей свечой. В таких обстоятельствах воздух не мог поддерживать процесс горения, а животные, которые в нем находились, погибали. Но растения, как оказалось, могли исправить эту ситуацию.
Ученый выяснил, что растения — важный источник кислорода, который поддерживает такие процессы как дыхание и горение.
Фототрофы являются организмами, обладающими способностью осуществлять фотосинтез.
Есть еще хемотрофы: они тоже образуют органическое вещество. Но в отличие от фототрофов, в качестве источника энергии для этого процесса выступает не кислород, а химические связи.
Почти все растения — автотрофы: их клетки содержат различные фотосинтетические пигменты.
Химические основы фотолиза воды
Пигменты фотосинтеза
Существует 2 группы фотосинтетических пигментов:
- Хлорофиллы.
- Каротиноиды.
Пигменты отвечают за поглощение солнечного света и преобразование солнечной энергии в химическую. Локализация пигментов — мембраны хлоропластов.
Внутри хлоропластов на мембраных тилакоидов находится хлорофилл. За счет этого пигмента растение и имеет зеленый цвет. Хлорофилл по своему химическому строению близок к гемоглобину крови. В его основе — порфириновое кольцо с магнием в центре. Хлорофиллу свойственно поглощение солнечного света с одновременным переходом в возбужденное состояние.
Именно хлорофилл — единственный пигмент, играющий главную роль в процессе фотосинтеза.
Фазы фотосинтеза кратко
Фотосинтез состоит из 2 фаз:
- Световой фазы. Она осуществляется на свету на мембранах тилакоидов, которые составляют граны.
- Темновой фазы. Она происходит при отсутствии солнечного света в строме хлоропласта, но при этом ее регулируют световые потоки.
Если говорить кратко о световой фазе фотосинтеза, то в ее основе — содержание в хлоропластах огромного числа молекул хлорофилла. Интересно, что сам процесс осуществляется в 1% молекулы хлорофилла. С помощью прочих молекул происходит образование антенных светособирающих комплексов: они отвечают за поглощение квантов света и передачу возбуждения в реакционные центры.
Такого рода центры есть в фотосистеме I и фотосистеме II. В этих системах есть особые молекулы хлорофилла: в первом случае — P700, а во втором — Р680. Такое обозначение связано, в первую очередь, с поглощением света соответствующей длины: 700 и 680 нм.
Молекулы хлорофилла в обеих системах поглощают кванты света. При этом в каждой фотосистеме один электрон осуществляет переход на более высокий энергетический уровень.
Все электроны в возбужденном состоянии отличаются высокой степенью энергии. Происходит их отрыв и трансляция в особенную сеть переносчиков на мембраны тилакоидов. Молекулы НАДФ+ при этом превращаются в восстановленный НАДФ.
В основе процесса — преобразование энергии света в энергию восстановленного переносчика. Происходит образование пространства с положительным зарядом — на месте молекул хлорофилла.
У обеих фотосистем есть свои задачи:
- первая отвечает за восполнение потери электронов через систему переносчиков электронов фотосистемы II;
- вторая отнимает электрон у воды и запускает ее фотолиз.
Фотолиз — это процесс распада молекулы воды, происходящий в результате воздействия солнечного света.
Этот процесс сопровождается выбросом в атмосферу большого количества кислорода, который в дальнейшем в ней рассеивается.
В ходе фотолиза образуются протоны водорода — они переносятся в полость тилакоида и, накапливаясь, образуют избыток ионов водорода. Это приводит к созданию на мембране тилакоида крутого градиента концентрации накопленных ионов. Также избыток ионов водорода используется АТФ-синтетазой для синтеза АТФ из АДФ и фосфата. Ионы водорода переносятся сквозь мембрану — процесс сопровождается образованием НАДФ*Н.
Можно сделать вывод, что запасание энергии света происходит в световой фазе в виде восстановленного переносчика НАДФ*Н и макроэргического соединения АТФ.
С помощью световой фазы удается:
- обеспечить перенос протонов водорода через систему переносчиков. При этом происходит образование и запасание энергии АТФ;
- сформировать НАДФ*Н;
- выделить в атмосферу определенное количество кислорода.
Если говорить об обязательных компонентах темновой фазы, то ими являются АТФ и НАДФ*Н (из световой фазы), углекислый газ, взятый из атмосферы, вода.
Из всего написанного выше следует, что фотолиз воды — это реакция, поставляющая компоненты для темновой фазы, которая происходит в строме хлоропласта. Фотолиз воды — источник кислорода, быстро поступающего в атмосферу.
В темновой фазе участвуют АТФ и НАДФ, а также происходит восстановление глюкозы. Этот процесс не нуждается в свете, хотя он принимает участие в регуляции этапов. Растение поглощает углекислый газ из атмосферы: устьица покровной ткани открываются и газ получает доступ внутрь листа. Растворение кислорода в воде и восстановление до глюкозы происходит при участии НАДФ и АТФ.
При образовании избытка глюкозы образуется и откладывается запасное питательное вещество — крахмал. В виде этого сложного углевода происходит накапливание энергии. Совсем немного этих молекул остается в листе и используется для его нужд. Все остальные углеводы распространяются по растению по проводящей ткани растения или ситовидным трубкам.
Фотосинтез — основной источник кислорода на нашей планете. При фотосинтезе кислород образуется в результате реакции фотолиза воды — его хватает для обеспечения жизнедеятельности всего живого. До появления фотосинтетических организмов этого газа на Земле не было.
Навигация по статьям
